专利名称：软皮金属密封件和制造技术的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及井口组件，并且更具体而言，涉及用于在变形时改善密封的选择性地软化金属密封外皮表面的局部热处理工艺。
背景技术：
密封件在内井口管状构件与外井口管状构件之间用来包含内井压力。内井口构件可以是套管悬挂器，其位于井口外壳中且支撑延伸入井中的套管柱。密封件或封隔件在套管悬挂器与井口外壳之间密封。备选地，内井口构件可以是油管悬挂器，其支撑伸入井中以用于生产流体的流的油管柱。油管悬挂器坐放在外井口构件中，外井口构件可以是井口外壳、采油树或油管头。封隔件或密封件在油管悬挂器与外井口构件之间密封。现有技术中已经采用位于内井口构件与外井口构件之间的各种密封件。现有技术密封件包括弹性体环和部分金属及弹性体的环。完全由金属制成以用于形成金属对金属密封("MS")的现有技术密封环也已被采用。密封件可由液压促动的下入工具设置，或者它们可响应于套管柱或油管柱的重量而设置。一种类型的现有技术金属对金属密封具有密封主体，其带有由柱形狭槽分开的内壁和外壁，从而形成“U”形。激励环被推入密封件内的狭槽中以使内壁和外壁变形分开成与内井口构件和外井口构件的密封接合，井口构件可具有形成于其上的锯齿。激励环通常为实心楔形构件。密封件的内壁和外壁的变形超出密封环材料的屈服强度，从而产生永久变形。然而，由于构成密封件的金属相对较硬，所以内密封壁和外密封壁的一部分可能不提供可能的最佳密封。然而，由于密封件还必须能够应对其所承受的机械载荷，因此出现困境。需要一种解决上述密封问题的技术。具体而言，需要一种在不损害密封件的载荷能力的情况下提高密封件的密封能力的技术。下面的技术可以解决这些问题。
发明内容
热处理工艺将被应用到在密封组件中使用的金属对金属密封件的密封表面。热处理降低了在密封表面区域的局部硬度。使用了将热输入以可控速率引导至密封表面的感应加热线圈。通过控制到密封件的密封表面的热输入，可以在上临界转变温度与下临界转变温度之间循环，这导致在密封件的铁素体基体中形成球状碳化物。这种微观结构变化扩展至由整个密封区域确定的有限宽度并且将局限于最大0.500英寸的表面下深度。软化区的宽度将是固定的，但深度将与暴露于峰值温度的时间成正比。该深度将相对于在最终加工时将移除的坯料移除量而变化，并且也根据密封区域中的强度要求而变化。有利的是将密封表面的强度降低至大约25至35K范围内的屈服强度，同时保持基材的50至70K的屈服强度范围。用于本发明的基材可以是具有大约60K的轧制后屈服强度的标准AISI G1030低碳钢。密封组件定位在具有内孔的井口外壳与套管悬挂器之间。外壳通常定位在井的上端处且充当外井口构件。套管悬挂器具有用于支撑密封组件的下部的面朝上的肩部。金属对金属密封组件具有内密封腿和外密封腿，内密封腿带有抵靠套管悬挂器的柱形壁密封的内壁，外密封腿带有抵靠井口外壳内孔密封的外壁表面。密封表面已通过上文解释的热处理工艺软化。密封腿形成U形凹口(pocket)或狭槽。延伸部从外密封腿向下延伸并连接到具有面朝下的肩部的鼻形环，面朝下的肩部安放在套管悬挂器肩部上以提供用于设置操作的作用点。固持在形成于鼻形环的上内部中的凹部内的锁环将密封件保持到鼻形环并允许取回。形成于鼻形环的上部上的面朝上的肩部接触内密封腿的下表面。面朝上的肩部在设置操作期间与下表面接触，并且在设置操作期间抵抗所施加的力。当激励环被推入密封腿的U形狭槽内时，密封腿被向外推动以与内井口构件和外井口构件密封接合。软化的密封表面抵靠井口构件变形。形成于井口构件表面上的锯齿切入密封件的软化密封表面中。这提供了改善的密封。将用于密封的材料和用于应对机械载荷的材料的硬度分开允许对于均匀强度密封件而言不可能的损伤容限和锁定性能组合。本发明的优点在于:相比试图通过包覆较低强度材料而实现相同机械属性的设计，可变强度密封件的制造相对简单且成本更低。此外，在不损害机械载荷应对能力的情况下改善了密封。由于来自压力和热增长的机械载荷要求不断增加，希望由更高强度的材料来加工环形密封件。通过提供相对软的外皮以用于改善的锯齿咬合和损伤容限，同时提供更硬的内壳以应对反复的极端压力和机械载荷，具有贯穿其截面的硬度变化的密封件主体材料解决了这些问题。
图1是根据本发明的实施例处于未设置位置的具有软化密封区域的密封组件的首丨J视图;
图2是根据本发明的实施例处于设置位置的图1的密封组件的放大剖视 图3是根据本发明的实施例用于软化密封件的密封区域的加热线圈的剖视图。
具体实施例方式参见图1，示出了在诸如具有内孔12的井口外壳10的外井口构件与诸如套管悬挂器18的内井口构件之间的密封组件的一部分，内孔12具有形成于其上的锯齿14，套管悬挂器18具有形成于外部上的锯齿20。外壳10通常定位在井的上端处且充当外井口构件10。备选地，井口外壳10可以是油管管段(spool)或采油树，并且套管悬挂器18也可以是油管悬挂器、堵塞件、安全阀或其它装置。套管悬挂器18具有用于支撑密封组件的下部的面朝上的肩部19。金属对金属密封组件具有内密封腿22,内密封腿22具有抵靠套管悬挂器18的柱形壁密封的内壁24。密封环23具有外密封腿26,夕卜密封腿26具有抵靠井口外壳内孔12密封的外壁表面28。壁表面24、28可以是弯曲而平滑的，并且可以比密封环23的其余部分的材料更软。壁表面24、28的软化区的宽度可以是固定的，并且深度将根据应用的要求而变化。例如，该深度将相对于在密封环23的最终加工时将移除的坯料移除量而变化，并且也根据密封区域中的强度要求而变化。下面将进一步解释用于实现这些软化壁表面24、28的工艺。密封环23的密封腿22、26形成U形凹口或狭槽30。延伸部32可以从外腿26向下延伸并可具有螺纹连接34。延伸部32具有面朝下的肩部36，肩部36搁置在形成于鼻形环37上的面朝上的肩部38上。螺纹连接34将密封环连接到鼻形环37。鼻形环的下部39搁置在套管悬挂器18的面朝上的肩部19上，以便在设置操作期间提供作用点。环形突出部40在螺纹连接34上方的点处从鼻形环37向上突出。环形突出部40接触内密封腿22的下表面42。参见图2，激励环41通常由液压促动的下入工具(未示出)或管柱的重量向下推动以将其推入狭槽30中。激励环41使密封主体的内密封腿22和外密封腿26抵靠内井口构件18和外井口构件10而变形。密封腿22的软化的壁表面24和密封腿26的软化的壁表面28有利于其抵靠内井口构件18的锯齿轮廓20和外井口构件10的锯齿轮廓14变形以实现密封。参见图3，本发明的实施例示出了密封环的一部分和用于软化密封腿22的壁表面24和密封腿26的壁表面28的热处理工艺。感应加热线圈50可以缠绕在密封环23的圆周和内径周围，使得感应加热线圈50与密封壁表面24、28接触。感应线圈引线52将线圈50连接到电源54。电源54供应和控制电能输入到线圈50，以便控制到壁表面24、28的热输入。在密封环23的金属的上临界转变温度与下临界转变温度之间的循环在构成密封环23的材料中引起微观结构变化。循环的时间可以是约每平方英寸最大截面积I小时，并且通常仅需要执行一个循环。临界转变温度是发生显著的微观结构变化的点。由于热处理随时间和温度而变化，所以这些微观结构变化可在较低的温度下但暴露于该温度下更长的时间而显现，或者通过将钢在更短的时间内暴露于更高的温度而显现。这些微观结构变化必然使碳化物从片状珠光体转变为球状珠光体。对于AISI G1030钢而言，临界转变温度范围为1340 °F至1495 °F。其它等级可能可以是AISI H4130或H8630。临界温度对于AISI 4130而言为1395 ° 至1490 °F，并且对于H8630而言为1355 ° 至1460 °F。在构成密封环23的铁素体基体中形成球状碳化物。微观结构变化可以扩展到由整个密封区域确定的有限宽度("W")，该密封区域由密封壁表面24、28限定，并且可以局限于在密封壁表面上最大0.500英寸的表面下深度(〃D〃)。在该实施例中，在密封壁表面24、28上的软化区的宽度W可以是固定的，同时深度D可以与暴露于峰值温度的时间成正比。深度D可相对于在最终加工时将移除的坯料移除量而变化，并且也根据密封区域中的强度要求而变化。在该实施例中，密封腿22、26为大约0.5英寸厚，并且软化区可具有贯穿每个腿的厚度(0.500英寸)延伸的深度D，而对性能没有不利影响。然而，密封腿22、26的厚度可随应用而变化。备选地，深度D可小于密封腿22、26的厚度，并且因此具有在从0.2至.5英寸的范围内的厚度。在该示例实施例中，用于密封件的基材可以是标准AISI G1030低碳钢，其具有在40至50K的范围内的轧制后屈服强度和在50至70K的范围内的极限抗拉强度。经受以上所述热处理工艺的密封壁表面24、28的强度可以被软化以获得在25至35K范围内的屈服强度。密封环23未受热处理工艺影响的其余部分保持大约60K的屈服强度。密封件23从狭槽50的底部向下的基底区域应大约处于初始屈服强度水平。这种屈服强度的变化允许密封环23保持机械载荷能力，同时由于密封壁表面24、28更容易抵靠锯齿轮廓14、20变形的能力而提高它们的密封能力。 此外，软化区的表面硬度可以大约在从HBW 90至约HBW110的范围内，并且其它未软化区域可具有在大约从HBW 130至约HBW 150的范围内的表面硬度。该书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何合并的方法。这些实施例旨在限制本发明的范围。本发明的可专利范围由权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它示例。如果这种其它示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例预期在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种具有轴线的井口组件，包括: 外井口构件，其具有内孔； 内井口构件，其位于所述内孔中； 相对的密封表面，其在所述内孔中并且在所述内井口构件的外部上； 密封环，其在所述内井口构件与外井口构件之间，所述密封环具有内环形构件和围绕所述内环形构件的一部分的外环形构件，所述内环形构件具有面朝内的轮廓，并且所述外环形构件具有面朝外的轮廓； 热处理过的密封表面，其形成于所述面朝内的轮廓和面朝外的轮廓中的至少一个上，其中，所述热处理过的密封表面具有比所述密封环的其余部分更低的屈服强度；以及 环形激励环，其具有可插入所述密封环的内环形构件与外环形构件之间的下端，使得当所述激励环的下端插入所述密封环的内环形构件与外环形构件之间时，所述密封环的内环形构件与外环形构件被径向推压彼此分开以将至少一个热处理过的密封表面安置成与所述内井口构件和外井口构件中的一个的密封表面密封接合。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，还包括环形延伸部，所述环形延伸部从所述密封环向下延伸且定位在所述密封环下方，所述延伸部具有坐放在所述内井口构件的肩部上的下表面，所述环形延伸部具有比热处理过的密封表面更高的屈服强度。
3.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，球状碳化物在所述热处理过的密封表面内。
4.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述密封环的材料为具有在从大约40至50K的范围内的屈 服强度的钢；并且 所述热处理过的密封表面的屈服强度在从大约25至35K的范围内。
5.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，密封区域由热处理过的密封表面的宽度限定，并且所述热处理过的密封表面的深度为进入所述内环形构件或外环形构件上的轮廓中的任一个0.200至0.500英寸深。
6.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述热处理过的密封表面限定为所述密封环的内环形构件和外环形构件中的任一个的厚度的40%至100%的范围内的厚度百分比。
7.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述密封环的内环形构件和外环形构件形成U形凹口，所述激励环插入所述U形凹口中；并且 所述热处理过的表面的下端邻近所述凹口的下端。
8.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述内井口构件或外井口构件中的至少一个包括形成于所述密封表面上的成组锯齿，其中，所述热处理过的密封表面在所述密封组件设置时在所述锯齿上变形。
9.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，密封环的U形凹口基底在凹口下方结合内环形构件和外环形构件，延伸部从附连到延伸部的基底鼻形环向下延伸，并且基底、延伸部和鼻形环具有比所述热处理过的密封表面更大的屈服强度。
10.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述热处理过的密封表面的硬度在HBW90至HBW 110的大致范围内；并且 所述密封环的其余部分的硬度在HBW 130至约HBW 150的大致范围内。
11.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，热处理过的表面构成在所述面朝内的轮廓和面朝外的轮廓中的每一个上的热处理过的密封表面。
12.一种用于水下井口组件的密封组件，包括: 金属密封环，其用于在水下井口组件中的内井口构件与外井口构件之间的密封，所述密封环具有内环形构件和围绕所述内环形构件的一部分的外环形构件，所述内环形构件和外环形构件在基底处结合，所述内环形构件具有面朝内的轮廓，并且所述外环形构件具有面朝外的轮廓； 环形激励环，其具有可插入所述密封环的内环形构件与外环形构件之间的下端，使得当所述激励环的下端插入所述密封环的内环形构件与外环形构件之间时，所述密封环的内环形构件和外环形构件的外壁被径向推压彼此分开以将所述热处理过的密封表面安置成与所述内井口构件和外井口构件中的一个密封接合； 环形延伸部，其从所述密封环向下延伸且定位在所述密封环的下方，所述延伸部具有用于坐放在所述内井口构件的一部分上的下表面，并且具有与所述密封环的内环形构件接触的面朝上的肩部；以及 热处理过的密封表面，其形成于所述面朝内的轮廓和所述面朝外的轮廓中的至少一个上，其中，所述热处理过的密封表面具有比所述基底、所述环形延伸部和所述激励环更低的屈服强度。
13.根据权利要求12所述的组件，其特征在于，球状碳化物在所述热处理过的密封表面内。
14.根据权利要求12所述 的组件，其特征在于，所述密封环的材料为具有在从大约40至50K的范围内的屈服强度的钢；以及 所述热处理过的密封表面的屈服强度在从大约25至35K的范围内。
15.根据权利要求12所述的组件，其特征在于，密封区域由热处理过的密封表面的宽度限定，并且所述热处理过的密封表面的深度为进入所述内环形构件或外环形构件上的轮廓中的任一个0.200至0.500英寸深。
16.根据权利要求12所述的组件，其特征在于，所述热处理过的密封表面限定为所述密封环的内环形构件和外环形构件中的任一个的厚度的40%至100%的范围内的厚度百分比。
17.根据权利要求12所述的组件，其特征在于，所述内井口构件或外井口构件中的至少一个包括形成于所述密封表面上的成组锯齿，其中，所述热处理过的密封表面在所述密封组件设置时在所述锯齿上变形。
18.一种用于制作密封组件的方法，包括: 提供用于安装在内井口构件与外井口构件之间的钢合金密封环，所述钢合金密封环具有内环形构件和围绕所述内环形构件的一部分的外环形构件，所述内环形构件具有面朝内的轮廓，并且所述外环形构件具有面朝外的轮廓；以及 将所述面朝内的轮廓或面朝外的轮廓中的至少一个加热至转变温度，同时将所述密封环的其余部分保持在所述转变温度以下，从而将至少一个轮廓的屈服强度降低至所述其余部分的屈服强度以下。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括在上临界转变温度与下临界转变温度之间循环热输入用于使所述钢合金在所述密封环中选择性地形成球状碳化物的步骤。
全文摘要
本发明涉及软皮金属密封件和制造技术。更具体而言，一种在具有内孔的井口外壳与套管悬挂器之间的密封组件具有用于抵靠悬挂器密封的内密封腿和用于抵靠外壳密封的外密封腿。延伸部从外密封腿向下延伸并连接到具有面朝下的肩部的鼻形环，面朝下的肩部安放在悬挂器肩部上以提供用于设置操作的作用点。密封腿上的密封表面被热处理以获得更低的局部屈服强度，以便在保持机械载荷能力的同时提供改善的密封。
文档编号E21B33/03GK103104211SQ20121039667
公开日2013年5月15日 申请日期2012年10月18日 优先权日2011年10月18日
发明者N.P.格特, S.德罗斯多夫斯基 申请人:韦特柯格雷公司